Международная группа учёных во главе с Луисом Колиной (Luis Colina) из Испанского астробиологического центра провела при помощи телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST) исследование галактики GN20, в которой наблюдается вспышка звездообразования — это явление, вероятно, было спровоцировано столкновением с другой галактикой.

Составное изображение галактики GN20, объединяющее источник ультрафиолетового излучения (обозначен синим), холодную пыль (зелёный), молекулярный газ (оранжевый) и звёзды (фиолтетовый). Источник изображения: arxiv.org

GN20, расположенная на расстоянии 12 млрд световых лет от Земли, стала одной из первых подробно изученных астрономами галактик с активным звездообразованием. Она расположена в протоскоплении — области Вселенной, где позже сформируется скопление галактик. Учитывая расстояние, она наблюдается в то время, когда Вселенной было всего 1,8 млрд лет. Скорость звездообразования составляет здесь примерно 1860 масс Солнца в год. Галактику окружает слой газа диаметром около 46 тыс. световых лет, а из звездообразующего вещества уже сформировался гигантский вращающийся диск.

Галактики с активным образованием звёзд окружены плотными облаками пыли и газа, которые схлопываются в плотные объекты, а из них появляются звёзды — к сожалению, это затрудняет наблюдение. Такие облака поглощают видимый свет, но для инфракрасного излучения они препятствием не являются, поэтому «Джеймс Уэбб» хорошо подходит для этой цели. Наблюдение за GN20 производилось при помощи прибора MIRI (Mid-Infrared Instrument) в период с 23 по 24 ноября 2022 года.

Астрономы обнаружили, что у GN20 есть окружённое газовой оболочкой плотное яркое ядро, где сгруппировано множество звёзд — в одной только этой внутренней структуре скорость звездообразования составляет 500 масс Солнца в год, и данный процесс продолжается уже 100 млн лет. Диаметр ядра составляет менее 2600 световых лет, а газовой оболочки — около 23 тыс. световых лет. Примечательно, что центр газовой оболочки смещён относительно центра звёздной области, что, вероятно, свидетельствует о недавнем столкновении GN20 с другой галактикой. Деформация в газовой оболочке могла быть порождена гравитационным воздействием при прохождении галактик мимо друг друга или эффектом их слияния. Подобные взаимодействия часто считаются причиной активизации процессов зведообразования в галактиках.

Учёные делают вывод, что GN20 в конечном итоге станет массивной галактикой, напоминающей галактики из Местной группы, в которую входит Млечный путь, а процесс образования звёзд в ней сойдёт на нет.

Космический телескоп «Хаббл» (Hubble) сделал снимок гигантского скопления галактик eMACS J1823.1+7822, расположенного на значительном отдалении от нас. Масса этого кластера настолько велика, что свет расположенных позади галактик подвергся эффекту гравитационного линзирования — они кажутся вытянутыми или искривлёнными. Видно несколько галактик, окружающих скопление, а также звёзды с характерными дифракционными лучами.

Источник изображения: esahubble.org

Скопление галактик носит название eMACS J1823.1+7822 — оно наблюдается в созвездии Дракона и находится на расстоянии почти 9 млрд световых лет от Земли. Это одно из пяти исключительно массивных скоплений галактик, которое исследователи изучают при помощи телескопа «Хаббл» в надежде оценить силу этих гравитационных линз и сформировать представление о распределении тёмной материи в них.

Сильные гравитационные линзы вроде eMACS J1823.1+7822 представляют собой не только ценные объекты изучения, но и сами выступают в качестве научного инструмента. Действуя как огромные естественные телескопы, они увеличивают объекты, которые оставались бы слишком тусклыми или далёкими для современного оборудования.

Изображение было получено путём наложения данных, полученных при снимках с восемью фильтрами на два прибора «Хаббла»: Advanced Camera for Surveys и Wide Field Camera 3. Эти инструменты позволяют наблюдать астрономические объекты только в небольших фрагментах спектра. Комбинация снимков на разных длинах волн позволяет астрономам составлять более полную картину структуры, состава и поведения объектов — одного только видимого диапазона было бы недостаточно.

Центральное скопление на снимке состоит преимущественно из ярких эллиптических галактик, а неподалёку от его ядра обозначилась яркая искажённая дуга — ещё одна галактика, изображение которой подверглось гравитационному линзированию.

Международная группа учёных изучила гигантскую туманность, которая располагается среди скопления молодых галактик и поглощает выброшенное последними вещество. Процесс наблюдается в области, возраст которой составляет всего 3 млрд лет после Большого взрыва, то есть в весьма молодой вселенной (возраст Вселенной оценивается в 13,8 млрд лет). Это является очередным свидетельством того, что галактики формируют звёзды, обмениваясь веществом с ближайшим окружением.

Художественное изображение формирования скопления галактик в ранней Вселенной. Источник изображения: ESO/M. Kornmesser

Ранее галактики независимо от размера считались плавающими в космической пустоте островами материи, но последние исследования показали, что их окружают огромные облака газа и пыли, которые трудно увидеть. Сейчас превалирует мнение, что эти облака являются частью гигантской космической сети, включающей в себя и тёмную материю — она связывает галактики, обеспечивая их водородом, из которого формируются новые звёзды и галактики.

Недавно учёные обнаружили, что такие облака играют ключевую роль в переработке вещества, помогая запускать так называемые галактические фонтаны. Погибающие со взрывами сверхновых массивные звезды выбрасывают в пространство колоссальные объёмы вещества, которое иногда вылетает за пределы галактик и образует ореолы горячего газа над и под их дисками. Согласно одной из теорий, облака горячего газа, которые простираются на тысячи световых лет за пределы галактики, охлаждаются и «проливаются дождём» обратно на неё, за счёт чего продолжается звездообразование. Эта гипотеза объясняет, почему в галактиках этот процесс идёт долгое время, несмотря на кажущиеся ограниченными запасы вещества.

Обсерватория Кека. Источник изображения: keckobservatory.org

Моделирование допускает возможность такой рециркуляции галактик, но подтвердить этот процесс непросто — галактики ориентированы по-разному, и наблюдать космический дождь действительно сложно. Прорыва удалось добиться при наблюдении в телескопы Кека и «Субару» на Гавайях туманности «Мамонт-1» (MAMMOTH-1) — протогалактики почти в 11 млрд световых лет от Земли. Туманность была открыта в 2017 году, но последние её изображения показывают, что она поглощает вещество из ближайших окрестностей через как минимум три газовых потока — эти потоки подсвечивают фрагмент космической сети, соединяющей галактики и их ближайшее окружение. При этом два потока указывают на квазар — яркий объект со сверхмассивной чёрной дырой, о присутствии которой в этой туманности только подозревали.

Учёные также обнаружили, что потоки вещества вокруг туманности богаты углеродом, который может формироваться только внутри звёзд, образующих из водорода и гелия металлы — так в астрономии называют все элементы тяжелее водорода и гелия. Присутствие углерода в туманности, размер которой составляет 300 тыс. световых лет, подтверждает гипотезу об активной системе галактической рециркуляции, при которой богатый металлами газ становится строительным материалом для формирования нового поколения звёзд. Этот газ охлаждается быстрее первозданного водорода, повышая тем самым эффективность звездообразования.

Свету требуется продолжительное время, чтобы преодолеть больше расстояние, и мы видим туманность «Мамонт-1» такой, какой она была 11 млрд лет назад. Размер группы галактик, к которой она принадлежит, тогда был 50 млн световых лет, но к настоящему моменту она, вероятно, ужалась до 1 млн. Для сравнения группа галактик, в которую входит наш Млечный Путь, имеет размер 10 млн световых лет. В Млечном Пути тоже есть галактические фонтаны, но астрономы точно не знают, сколько их.

Космический телескоп «Хаббл» (Hubble) показал фрагменты галактики NGC 4395. Её отличает очень низкая поверхностная яркость — галактика рассеяна и излучает меньше света, чем другие, но при этом у неё очень яркое ядро.

Центральная область NGC 4395, снятая Wide Field Camera 3 телескопа «Хаббл». Источник изображений: nasa.gov

Расположенная на расстоянии около 14 млн световых лет от Земли NGC 4395 относится к сейфертовским или галактикам с очень ярким ядром — это одна из самых близких и тусклых из известных сейфертовских галактик. Высокая яркость ядра объясняется присутствием в нём чёрной дыры — она активно поглощает вещество, и при этом возникает значительное свечение во всём электромагнитном спектре.

Общий вид NGC 4395 (слева) и центральная область галактики (справа)

Яркость активного галактического ядра зачастую оказывается настолько высокой, что за ним не видно окружающих его звёзд, тогда как сейфертовскую галактику обнаружить возможно. Ядро NGC 4395 имеет относительно низкую светимость по сравнению с другими активными галактическими ядрами, поскольку находящаяся в нём чёрная дыра по массе «лишь» в 10 тыс. раз превосходит солнечную, а значит, она относится не к сверхмассивным, а к чёрным дырам средней массы.

Один из рукавов NGC 4395. Снимок получен инструментами «Хаббла» Wide Field Camera 3 и Advanced Camera for Surveys

Ещё одной редкой чертой карликовой галактики NGC 4395 является отсутствие балджа или галактической выпуклости — плотной группы звёзд в её центре.

Общий вид NGC 4395 (слева) и спиральный рукав галактики (справа)

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) получил изображение объекта Arp 220 — это ультраяркая инфракрасная галактика, светимость которой составляет более триллиона солнечных. Для сравнения, у нашей галактики Млечный Путь этот показатель составляет 10 млрд солнечных.

Источник изображения: nasa.gov

Столкновение двух спиральных галактик, в результате которой возникла Arp 220, началось около 700 млн лет назад. Расположенная в 250 млн световых лет и наблюдаемая в созвездии Змеи Arp 220 является 220-м объектом в Атласе пекулярных (не относящихся ни к одному из классов в последовательности Хаббла) галактик Хэлтона Арпа (Halton Arp). Это ближайшая к Земле ультраяркая инфракрасная галактика и самое яркое из трёх ближайших столкновение галактик.

Начало столкновения двух спиральных галактик вызвало взрыв звездообразования. В плотной области космической пыли размером 5000 световых лет оказались около 200 крупных звёздных скоплений. Количество газа в этой области сравнимо с количеством газа во всём Млечном Пути. В ходе наблюдения за объектом через радиотелескоп было выявлено около сотни остатков сверхновых в области менее 500 световых лет. Космический телескоп «Хаббл» (Hubble) помог установить, что ядра сливающихся галактик находятся на расстоянии 1200 световых лет друг от друга. У каждого из них есть кольцо звездообразования, испускающее сильное инфракрасное излучение, а оно, в свою очередь, отметилась на снимке дифракционными лучами.

В периферийной части области слияния синим цветом отмечено вещество, которое вытягивается из галактик под действием гравитационных сил. Красно-оранжевым цветом указаны пронизывающие Arp 220 потоки и линии органических соединений. Наблюдение за объектом производилось установленными на «Джеймсе Уэббе» камерой ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam) и прибором среднего инфракрасного диапазона (MIRI).